加州大学伯克利分校生物工程系主任，生物工程和生物物理学教授， Dan Fletcher认为，要利用从合成生物学中掌握的新兴能力解决现实问题，未来的研究必须集中在几个雄心勃勃的目标上。
原文以“Which biological systems should be engineered?”为题发表11月6日的Nature Comment，原文作者：Dan Fletcher
翻译：臧中盛 董宇轩（中国科学院深圳先进技术研究院 合成生物学研究所 iSynBio），本文略有删改。
微调（tweaking）和工程（engineering）之间存在微妙但很重要的区别。几十年来，科学家一直在分子水平上调控细胞。1974年，两名研究人员将青蛙的DNA加载到细菌中，促使微生物产生外源RNA1。20年后，科学家们利用一种来自水母的荧光蛋白在线虫体内追踪基因的表达，并标记果蝇中的特定分子2-3。随着荧光物质在显微镜下闪闪发亮，实时观测细胞生物学作用的新纪元随之开启。
图一 点亮“生命”之光
现在，西雅图艾伦细胞科学研究所的生物学家们正在微调人类干细胞的DNA，通过用荧光对应物取代天然蛋白质来探测细胞的组织和功能（迄今为止有27种；参见https://www.allencell.org/cell-catalog.html）。甚至连医生也参与其中，他们通过调节患者的免疫细胞来改进癌症治疗的策略取得了显著的成功4。
在我看来，工程则是另外一回事。工程的最终目标是构建能够解决问题的系统，例如为糖尿病患者构建人工合成胰腺。系统必须以机械的细节进行规划——实现期望的功能的同时，尽量减少失败或尽可能降低意外事件带来的的风险。实现这些目标，就意味着要用到“从下到上”的思想，即以精确掌握所有组成部分为基础从底层开始构建系统。换句话说，工程始于设计。（engineering begins when design enters the picture）
微调——通过微小的变化来调节系统——将继续是生物学发现和开发新疗法中重要的组成部分。相比之下，工程通常需要大团队、大预算和精确的目标来实现雄心勃勃的目标。实施工程的过程也往往会显露出我们对自然有多深刻或者多渺小的了解。
如今我们比以往任何时候都有能力去设计生物体（见下方《做一名“裁缝”，而不是打补丁的人》）。但是，解决重大问题需要从实验室里漫无边界的可行性研究转换到少数几个伟大目标的聚焦。如今，是决定把这些新兴能力集中在工程化改造生物学的哪些地方并开始投入资源去实现它们的时候了。
做一名“裁缝”，而不是打补丁的人
工程化改造生物系统所需的工具已经就位。
研究人员已经建立了在单细胞水平分离和表征几乎所有细胞成分的方法。他们在设计一些所需功能和以新方式组装零件方面也取得了长足进步。
由于合成生物学家在21世纪初期的工作，基因线路变得能够以AND，OR和NAND逻辑门（基本信号电路）为基础来进行设计18。通过巧妙的设计能够让细菌或者细胞产生用于感知和杀死肿瘤的蛋白质，就像照相机的感光元件能感受光线并捕捉图像19。
基因组编辑工具改造的酵母目前可以生产生物燃料，鸦片类药物或啤酒花香味20。甚至完全彻底的改造也是可能的：2016年，研究人员简化了丝状支原体的整个基因组，将这种“最小基因组”转移到空壳细胞内后细胞依然能够存活、生长16。（见图二）
图二合成生物学经典研究聚焦 a.设计酿酒酵母生物合成芳香族单萜分子，赋予啤酒花香 b.合成最小基因组JCVI-syn3.0 c.改造大肠杆菌“感光照相机”
工程师的愿望清单
那么要优先实现哪些目标呢？
下面的讨论不会涉及到人造组织和器官等多细胞工程项目，因为从简单的项目开始着手更具可行性。我已经把提议的范围缩小到那些经过恰到好处的协调、合作和支持，在未来十年内能够实现的项目上。我关注的是人类健康领域的问题，因为这是我思索最深的一个领域。（创造高产、抗旱、抗虫害和环境友好的农作物的工程化植物，包括“肉”类植物，也值得深入讨论。）
我的“愿望清单”如下：
输血对于治疗移植手术、心血管手术、车祸、妊娠相关并发症和儿童疟疾等各种疾病至关重要（参见 http://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/blood-safety-and-availability）。仅在美国，每天就需要36000个单位的红细胞和7000个单位的血小板（参见https://www.redcrossblood.org/donate-blood/how-to-donate/how-blood-donations-help/blood-needs-blood supply.html)。
但是，靠志愿者的献血来维持充足的血液供应挑战巨大，特别是在低收入和中等收入国家。雪上加霜的是为防止传染病的传播，我们必须对来自捐献者的血液进行深入地检查，并且只能在有限的保存42天（血小板5天）。如果能根据需求，直接将纯化的或者合成的组分组装成血细胞，那会怎么样呢？
原则上，可以制造出具有红细胞载氧能力或血小板凝血能力的细胞样隔室（cell-like compartments）。为了避免免疫系统的攻击，这些隔室的表面需要覆盖上正常血细胞膜表面的分子，同时也需要其他的表面分子用于检测不同的信号并触发下游响应。
对于人造血小板来说，该触发信号可能是胶原蛋白5。当血管破裂时，循环系统的血小板会接触到该蛋白。这种隔室还需要能够释放某些分子，如factor V或von Willebrand凝血因子。这可以通过建立基本的胞吐形式来实现，例如胞内囊泡通过与隔室的外膜融合，能够让包含在其中的凝血分子释放到血液中发挥凝血的功能。
目前，把活细胞内的细胞质包裹成一个膜状隔室的设想是能够实现的6-7。但当前面临的一个重大的挑战是如何将目标蛋白受体插入到脂质膜中8，并且重构受体信号通路。
图三人造血小板的模块化设计包括四个功能模块：（1）囊泡包封; （2）囊泡附着; （3）蛋白质生产; （4）囊泡融合。
红细胞和血小板由于缺少细胞核，有望成为第一类被人类合成的具有正常功能的细胞系统。复杂的功能，如核内外运输、蛋白质的合成和转运可不必复制。如果成功的话，未来的我们可能对当下通过抽一个人的血治疗另外一个人的做法深感恐怖。
免疫疗法通过重新激活人体免疫系统对肿瘤的免疫反应为许多癌症患者带来了希望。癌细胞往往通过抑制人体的免疫系统保护自身不受免疫细胞杀伤。使用治疗性抗体来阻止癌细胞的这一过程能够大大提高多种癌症患者的生存率，包括皮肤癌、血液癌和肺癌9。同样取得惊人治疗效果的是过继性T细胞转移技术（adoptive T-cell transfer）。这项技术通过工程化改造患者或者供体的T细胞使其表达靶向肿瘤细胞表面蛋白(抗原)的受体，促进T细胞杀死癌细胞(称为CAR-T疗法)10。巧妙地重构下游信号通路的策略为改造白细胞杀伤肿瘤打开了新的局面11。
图四 万众瞩目的CAR-T疗法
如果研究人员更进一步，创造出能够接近、结合和消除肿瘤细胞的合成细胞，会怎么样呢？
原则上，不受进化压力的影响，我们可以设计这些细胞完成各种任务，从杀死特定的肿瘤细胞和病原体到清除大脑淀粉样斑块或胆固醇沉积。如果可以大规模生产人工免疫细胞的话，它甚至可能减少对个性化治疗的需要，从而降低成本并增加了成功的可能性。
为了不损伤正常健康细胞，工程师们还需要设计复杂的信号处理系统并搭建防逃逸系统。重新设计的免疫细胞需要具备检测并具有朝着化学信号或肿瘤移动的能力。（从产生能量的ATP分子的递送到驱动运动的肌动蛋白和肌球蛋白马达的组装，重构细胞运动过程非常复杂，是一个重大挑战。）
研究人员已经制造出可以改变形状的细胞状隔间12，并在其中安装了信号传导线路13。最终可以用这些技术来控制运动和介导对外部信号的响应。
在实验室中，用药物处理细胞以及在细胞中引入新的蛋白质或者工程化的基因组相对容易，但要将生物分子递送到活的生物体内的特定位置是一件非常困难的事情。大多数疗法面临的最大挑战之一就是如何能在正确的时间将分子释放到含有正确细胞的正确位置上。
利用病毒的自然侵染性将DNA和RNA分子传递到细胞中已经取得了成功14。但病毒的尺寸限制了携带货物的大小，病毒也不一定会感染研究人员和临床医生所想要的的细胞类型。覆盖靶向抗体的合成药物囊泡改善了向某些肿瘤递送药物的能力。但药物渗透肿瘤的状况通常取决于从患者的循环系统中泄漏的囊泡数量，因此结果好坏参半。
携带治疗性药物的“智能”递送载体是否可以设计成具有感知它们在体内的方位并将货物运送到到所需位置的能力，例如穿透血脑屏障的能力？
图五 微生物“智能”药物递送系统（可超声定位）
长期以来，靶向递送药物都是研究者们的梦想。这种挑战类似于构建人造血液和免疫细胞：将限定的组分封装在膜中，将受体结合到膜上，并设计信号处理系统以控制运动并触发装载内容物的释放。
免疫细胞“背包”的发展朝着正确的方向迈出步伐：将含有治疗分子的颗粒包被在免疫细胞表面或者胞内，利用细胞的运动性和靶向性将药物分子运送到特定位置15。这着实让人兴奋。
在前面的每个例子中，理论上构建好的工程化系统可以持续在数小时或数天内一直稳定发挥作用，而不需要进行额外的基因和蛋白质表达调控。然而，对于其他许多任务，例如体内胰岛素的连续生产，具备在长时间跨度上表达特定蛋白质、上调或下调某些基因以及执行某项功能的能力是至关重要的。
设计一种能够维持基因表达和功能上内稳态的“最小底盘”将是构建合成细胞的宝贵起点，这种合成细胞能够产生蛋白质、形成组织并存活数月至数年。这需要详细了解和整合新陈代谢途径、蛋白转运系统和细胞核内外物质转运过程，这无疑是一项艰巨的任务。
无论是通过化学反应中的碱基或者生物酶或在细胞中进行大规模基因片段组装，如今在实验室中就能合成出DNA16。但是，我们仍然对在没有活细胞的情况下，如何启动DNA并将合成基因组转变为功能系统所知甚少。
自21世纪初以来，生物学家在充满细胞质提取物的合成小室中实现了基因表达17。而日益复杂的遗传电路目前也是大家深入研究的热门主题。另外研究相对较少的是：类似于活细胞中发生的，在长时间跨度范围上的基因表达过程、基本的蛋白质转运和能量生产过程。
图六 “科学狂人” J. Craig Venter的全基因组合成策略
风险与回报
在十年的时间里，这个愿望清单要么看起来非常荒谬，要么显得是“自大愚蠢的野心”。身处工程生物学的时代，这让人异常兴奋。无论这些目标是否达到，尝试从已知部分构建系统的过程会让我们认清当前对生物系统如何工作的理解存在多大偏差。
许多不同领域的研究者们已经在探索这些想法。它们通常被认为风险太高，得不到传统基金来源的资助，因此往往被降级为一个无足轻重的项目。
但是冒险的想法只有通过集中资源和努力才能变成现实，这意味着需要给科学家们足够的时间和资金。一些支持的举措正在实施。马克斯·普朗克合成生物学研究网络（Max Planck Research Network），一个德国科学联合项目，正在资助鉴定生命系统中的最小构造模块的工作。九月，美国国家科学基金会启动了一个项目，旨在在“理解生命规则计划”的基础上促进合成细胞工程的发展。
目前仍需要更多的支持——特别是来自目光长远的组织和基金。传统的工业界或政府资助者往往视野狭隘、醉心于短期收益。凭借可持续的资金支持以及相信工程生物学能在应对社会挑战中发挥重大作用的决心，我们会开启一个新世界。在这个世界中，就像我们信任飞机会安全降落一样，我们相信人工细胞可以检测和治疗阿尔茨海默病的早期症状。
显然，微调类的生物学研究没有什么不好。我的实验室在更深入地了解细胞如何组织细胞膜和细胞骨架时，也将继续从事微调，调整，改造和修补类的生物学研究。但现在是集中资源、组织力量和设定明确的目标来解决重大问题的时候了。必要的工具已经准备就绪，问题迫在眉睫。物理学家理查德费曼说：“What I cannot create, I do not understand.”在这个设计生物系统的时代，他的引言应该有一个推论：“ What I cannot engineer, I should not use.”
获取参考文献：请点击原文链接。
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